Čas by mohol mať kvantovú povahu. Podľa novej štúdie by mohli dôkaz priniesť ultrapresné optické iónové atómové hodiny.
Ultrapresné optické atómové hodiny by mohli prvý raz zachytiť prejavy tzv. kvantového času. Ilustračný obrázok. Zakrivenie času. Zdroj: iStock.com/coffeekai
Z hľadiska kvantovej mechaniky by mohol čas v niektorých situáciách tikať súčasne rôznymi rýchlosťami, pričom by tieto rôzne módy času boli v kvantovej superpozícii. Podľa novej štúdie by mohli dôkaz priniesť ultrapresné optické iónové atómové hodiny.
Čas vnímame ako niečo skalopevné, plynulé a jednosmerné, takpovediac ako jedinú istotu v šialenom svete. Sekundy plynú rovnakým tempom, minulosť ostáva za nami a budúcnosť je pred nami. Moderná fyzika však už dávno ukázala, že takáto predstava je len približná. Einsteinova teória relativity dokázala, že čas sa môže spomaľovať či zrýchľovať v závislosti od gravitácie alebo pohybu. Fyzici teraz naznačujú ešte radikálnejšiu možnosť: samotný čas by mohol mať kvantovú povahu.
Nová teoretická práca, publikovaná v časopise Physical Review Letters, navrhuje, že ultrapresné optické atómové hodiny by mohli prvý raz zachytiť prejavy tzv. kvantového času. Výskum vedie fyzik Igor Pikovski zo Stevensovho technologického inštitútu (Stevens Institute of Technology) a nadväzuje na jednu z najväčších nevyriešených otázok modernej fyziky – ako spojiť kvantovú mechaniku s gravitáciou.
Keď čas prestane byť klasický
V klasickej newtonovskej fyzike bol čas absolútny. Plynul rovnako pre celý vesmír bez ohľadu na to, kto ho meria. Einstein však ukázal, že čas závisí od pozorovateľa. Hodiny na obežnej dráhe tikajú o trochu inak než hodiny na Zemi a astronaut pohybujúci sa vysokou rýchlosťou starne pomalšie než človek stojaci na planéte. Každý pozorovateľ má teda svoj vlastný čas (proper time), ktorý sa môže líšiť od času ostatných.
Ani Einsteinova teória však nerieši problém, čo sa deje s časom na kvantovej úrovni. Kvantová mechanika totiž pracuje s javmi ako superpozícia či previazanosť (entanglement), kde môžu objekty existovať vo viacerých stavoch naraz. Väčšina dnešných fyzikálnych teórií však stále predpokladá, že samotný čas ostáva klasickým pozadím, ktoré len pokojne plynie. Podľa tímu Igora Pikovského to nemusí byť pravda.
Čas v superpozícii
Vedci navrhujú, že čas by mohol fungovať podobne ako kvantové častice. Inými slovami, hodiny by v extrémnych podmienkach nemuseli ukazovať jednu presnú hodnotu, ale viac časov naraz. Takýto jav sa označuje ako časová superpozícia.
Teoreticky by to znamenalo, že jediné hodiny môžu súčasne tikať viacerými rýchlosťami. Rozdiely by boli neuveriteľne malé – rádovo v attosekundách, teda miliardtinách miliardtiny sekundy –, no práve moderné optické atómové hodiny sú už dnes dostatočne presné na to, aby sa k podobným efektom priblížili.
Profesor Shimon Kolkowitz z Kalifornskej univerzity v Berkeley vysvetľuje princíp atómových hodín. Zdroj: Youtube/UC Berkeley
Najpresnejšie zariadenie ľudstva
Klasické atómové hodiny využívajú mikrovlnné žiarenie atómov cézia. Novšie optické hodiny však pracujú s oveľa vyššími frekvenciami svetla, čo dramaticky zvyšuje ich presnosť. Dnešné najlepšie modely dokážu merať čas s presnosťou až na 19 desatinných miest.
Výskumníci z amerického Národného inštitútu štandardov a technológie (National Institute of Standards and Technology, NIST) dokonca v roku 2024 predstavili optické hodiny schopné zaznamenať gravitačné rozdiely na mikroskopických vzdialenostiach. Inak povedané, hodiny už dnes dokážu zistiť, že čas plynie trochu inak len o zlomok milimetra vyššie nad Zemou. Práve preto sa fyzici domnievajú, že tieto zariadenia by mohli zachytiť aj jemné kvantové deformácie času.
Pozrite si
Kvantové stláčanie času
Kľúčovým prvkom navrhovaného experimentu je technika nazývaná squeezing, teda tzv. kvantové stláčanie. Ide o manipuláciu kvantového šumu tak, aby sa určité fluktuácie zosilnili a stali sa merateľnými.
Vedci tvrdia, že pri takto upravených iónových hodinách by sa mohli objaviť tri dôležité efekty: drobný frekvenčný posun spôsobený kvantovým chvením atómov, nové posuny vznikajúce pri kvantovom stlačení a previazanosť medzi pohybom atómu a samotným tikotom hodín.
Ak by sa tieto javy experimentálne potvrdili, išlo by o prvý priamy dôkaz, že čas nie je len klasická kulisa vesmíru, ale podlieha kvantovým zákonom podobne ako hmota či energia.
Nejde o prvý náznak
Myšlienka kvantového času sa objavuje vo fyzike už dlhšie. Už v roku 2019 vznikli práce opisujúce kvantový paradox dvojčiat, v ktorom sa čas môže nachádzať v superpozícii viacerých rýchlostí plynutia. Ďalšie štúdie ukázali, že extrémne presné hodiny môžu paradoxne spôsobovať rozmazávanie času v okolí. Čím presnejšie meriame čas, tým viac samotné meranie deformuje časopriestor.
Významnú úlohu hrá aj kvantové previazanie. V roku 2020 fyzici demonštrovali optické atómové hodiny využívajúce previazanosť medzi atómami, čím sa podarilo prekročiť klasické limity presnosti merania času.
Ak by sa ukázalo, že čas má kvantovú povahu, dôsledky by boli obrovské. Mohlo by ísť o jeden z prvých experimentálnych mostov medzi kvantovou mechanikou a gravitáciou – dvoma teóriami, ktoré v súčasnosti fungujú výborne oddelene, no navzájom si odporujú.
Takýto objav by mohol pomôcť pri hľadaní kvantovej teórie gravitácie, pri výskume čiernych dier, pri štúdiu raného vesmíru, ale aj pri vývoji ešte presnejších navigačných a komunikačných systémov. Zároveň by zásadne zmenil filozofické chápanie reality. Čas by prestal byť pevnou scénou, na ktorej sa odohráva vesmír, a stal by sa dynamickou súčasťou kvantového sveta.
Ako poznamenal Igor Pikovski, možno raz zistíme, že naše každodenné intuitívne chápanie reality je len veľmi hrubým priblížením oveľa zvláštnejšieho vesmíru.
Zdroje: Physical Review Letters, Popular Mechanics, Nature (1, 2), NIST
(zh)
